1、第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ),本章主要介紹數(shù)據(jù)通信的基本概念、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、多路復(fù)用技術(shù)、數(shù)據(jù)交換技術(shù)及差錯(cuò)控制技術(shù),2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本組成 數(shù)據(jù)通信的幾個(gè)基本概念 模擬傳輸和數(shù)字傳輸 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo),2.1.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本組成,1、通信系統(tǒng)的基本模型,信息源和輸入轉(zhuǎn)換器,發(fā)送設(shè)備,接收設(shè)備,信道,輸出轉(zhuǎn)換器和受信者,噪聲,2.1.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本組成,2、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成,數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)備,傳輸信道,主機(jī),數(shù)據(jù)終端設(shè)備 DTE,傳輸控制器,數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備,數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備,傳輸控制器,計(jì)算機(jī)系統(tǒng),接口,接口,數(shù)據(jù)電路,數(shù)據(jù)鏈路,DCE,DCE,2.

2、1.2 數(shù)據(jù)通信的幾個(gè)基本概念,1、信號(hào)頻帶及頻譜分析 （1）周期信號(hào) 信號(hào)的周期就是信號(hào)完成一個(gè)循環(huán)所需要的時(shí)間。 信號(hào)周期 = p 信號(hào)的頻率 = f 信號(hào)每秒振蕩的周期數(shù)。其量度單位是周期每秒，即赫茲(Hz)。 頻率和周期的關(guān)系式是：f=1/p,2.1.2 數(shù)據(jù)通信的幾個(gè)基本概念,1、信號(hào)頻帶及頻譜分析 （2）周期性非正弦信號(hào)的傅氏級(jí)數(shù)及頻譜特性,現(xiàn)在給出一個(gè)數(shù)學(xué)描述。假設(shè)s(t)是一個(gè)周期為P的周期函數(shù)。依據(jù)傅立葉變換的其中一種形式：,2.1.2 數(shù)據(jù)通信的幾個(gè)基本概念,1、信號(hào)頻帶及頻譜分析 （2）周期性非正弦信號(hào)的傅氏級(jí)數(shù)及頻譜特性,（還有其他的形式，但這種更適合我們這里的需要。）

3、 其中的系數(shù)ai和bi被定義為:,2.1.2 數(shù)據(jù)通信的幾個(gè)基本概念,傅立葉變換: 能解釋各種不同的通信媒體的局限性。 每一個(gè)周期信號(hào)都是具有不同的頻率和振幅的模擬信號(hào)的疊加。 由傅立葉變換得出一個(gè)結(jié)論： 媒體發(fā)送和分解一個(gè)模擬信號(hào)的能力取決于它能夠處理的頻率的范圍（帶寬）。,2.1.2,我們來(lái)看一個(gè)列子，令s(t)為:,這是一個(gè)周期為2的方波。,t,s(t),1,-1,2p,3p,4p,p,6p,5p,7p,8p,2.4.2 模擬信號(hào),1. 傅立葉變換,因?yàn)樗且粋€(gè)周期函數(shù)（周期為2p），所以可以把它寫成一個(gè)傅立葉級(jí)數(shù)。在這里，所有的常量ai(i0 )都為0。常量bi定義為,我們用微積分算出

4、這些結(jié)果。由它可以把周期函數(shù)寫成,2.4.2,右圖分別給出了具有1、3、5、11和21個(gè)項(xiàng)的近似值的曲線圖。如圖所示，只有幾個(gè)項(xiàng)的近似值與原函數(shù)相差很遠(yuǎn)。但隨著項(xiàng)的個(gè)數(shù)的增多，每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的曲線將更加平滑，在1和-1之間的跳變也更加快速。,2.1.2,傅立葉變換是學(xué)習(xí)通信的基礎(chǔ)。 在一個(gè)帶寬有限的媒體上傳送一個(gè)復(fù)雜的模擬信號(hào)就和用傅立葉級(jí)數(shù)來(lái)近似一個(gè)函數(shù)一樣。,高保真音響 30Hz到2000030000Hz,普通電話機(jī) 300Hz3300Hz,30Hz300Hz,3300Hz30000Hz,2.4.2,傅立葉變換的應(yīng)用,傅立葉變換也可以應(yīng)用于硬件的設(shè)計(jì)。 比如，一個(gè)濾波器（Filter）可以

5、擋住某一頻率，而讓其他的頻率通過(guò)。它有非常廣泛的應(yīng)用。,1K 2K 3K 4K 5K 6K 7K 8K 9K 10K 11K 12K 13K 14K 15K 16K 17K,2.1.2 數(shù)據(jù)通信的幾個(gè)基本概念,1、信號(hào)頻帶及頻譜分析 （3）非周期性信號(hào)的頻譜特性,非周期性信號(hào)可以看成是P周期信號(hào)：頻譜無(wú)限密集，其頻譜變?yōu)檫B續(xù)頻譜。,2.1.2 數(shù)據(jù)通信的幾個(gè)基本概念,1、信號(hào)頻帶及頻譜分析 （4）信號(hào)的頻帶,由于諧波振幅具有收斂性，所以次數(shù)過(guò)高的諧波分量非常小，對(duì)于一個(gè)信號(hào)并沒(méi)有什么意義。對(duì)于一個(gè)信號(hào)，從零頻開始到需要考慮的最高頻率分量之間的頻率范圍稱為信號(hào)的帶寬。,2.1.2 數(shù)據(jù)通信的幾個(gè)

6、基本概念,1、信號(hào)頻帶及頻譜分析 （5）二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的頻譜特性,信號(hào)帶寬=1/信號(hào)代碼寬度,2.1.2 數(shù)據(jù)通信的幾個(gè)基本概念,1、信號(hào)頻帶及頻譜分析 （6）信號(hào)時(shí)間特性和頻率特性間的關(guān)系,信號(hào)周期T減小，譜線間隔就會(huì)變大，譜線占有頻率范圍變大，信號(hào)頻帶就會(huì)增加，反之亦然。,2.1.2 數(shù)據(jù)通信的幾個(gè)基本概念,2、數(shù)據(jù)信號(hào) （1）模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),模擬數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)的狀態(tài)是連續(xù)變化和不可數(shù)的。 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)：數(shù)據(jù)的狀態(tài)是離散和可數(shù)的。,2.1.2 數(shù)據(jù)通信的幾個(gè)基本概念,2、數(shù)據(jù)信號(hào) （2）模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào),模擬信號(hào)：電信號(hào)的參量對(duì)應(yīng)于模擬數(shù)據(jù)而取連續(xù)值。 數(shù)字信號(hào)：電信號(hào)的參量對(duì)應(yīng)于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)而

7、取離散值。,2.1.2 數(shù)據(jù)通信的幾個(gè)基本概念,2、數(shù)據(jù)信號(hào) （3）模擬通信與數(shù)字通信,模擬信號(hào)：傳輸模擬信號(hào)的通信方式。 數(shù)字信號(hào)：傳輸數(shù)字信號(hào)的通信方式。 數(shù)字通信相對(duì)于模擬通信有如下優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)、差錯(cuò)可以控制、易于實(shí)現(xiàn)保密通信。,2.1.3 模擬傳輸和數(shù)字傳輸,在將數(shù)據(jù)從信源送到信宿的過(guò)程中，必須對(duì)數(shù)據(jù)的性質(zhì)和用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)進(jìn)行區(qū)分。,數(shù)據(jù)的性質(zhì),模擬數(shù)據(jù),數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),信號(hào)的傳播方式,數(shù)字信號(hào),模擬信號(hào),2.1.3 模擬傳輸和數(shù)字傳輸,1、模擬數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)傳輸 一般使用基帶傳輸或調(diào)制后用頻帶傳輸?shù)姆绞健?例子：普通電話。,2.1.3 模擬傳輸和數(shù)字傳輸,2、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)傳

8、輸 調(diào)制后傳輸。通常有三種基本的模式： 移幅鍵控（Amplitude Shift Keying, ASK） 移頻鍵控（Frequency Shift Keying, FSK） 移相鍵控（Phase Shift Keying, PSK）,2.1.3,移幅鍵控（Amplitude Shift Keying, ASK），也叫調(diào)幅（Amplitude Modulation,AM）。正如你可能猜到的一樣，區(qū)別只在于這里的每一個(gè)比特組對(duì)應(yīng)于一個(gè)給定大小的模擬信號(hào)。和FSK一樣，每個(gè)比特組可以包含一個(gè)或多個(gè)比特位，這將決定比特率和波特率之間的關(guān)系。,調(diào)幅調(diào)制,為了說(shuō)明問(wèn)題，假設(shè)設(shè)定四個(gè)大小級(jí)別： A1，A2

9、，A3和A4。這些大小級(jí)別和兩個(gè)比特位的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表所示。右圖給出了比特串00110110所對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)。在這里，比特率是波特率的兩倍。兩個(gè)比特位的每一個(gè)組合（從左向右）對(duì)應(yīng)一個(gè)適當(dāng)大小的信號(hào)。同頻移鍵控一樣，每個(gè)信號(hào)的持續(xù)周期是固定不變的。,2.1.3,第一種方法稱為頻移鍵控（Frequency Shift Keying, FSK），也叫頻率調(diào)制（Frequency Modulation, FM），它給數(shù)字0和1分別分配一個(gè)模擬信號(hào)頻率。比如，假設(shè)0對(duì)應(yīng)一個(gè)較高的頻率，而1對(duì)應(yīng)一個(gè)較低的頻率，那么比特串0 1 0 0 1所對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)如圖所示。調(diào)制解調(diào)器在一個(gè)指定的時(shí)間周期內(nèi)傳輸一個(gè)適當(dāng)

10、頻率的信號(hào)。 只使用兩個(gè)頻率意味著信號(hào)每變化一次，就發(fā)送一個(gè)比特位的數(shù)據(jù)。這是波特率（信號(hào)改變的頻率）和比特率相等的一個(gè)特例。頻率調(diào)制也可以使用更多的頻率。比如說(shuō)，因?yàn)閮蓚€(gè)比特位就有四個(gè)可能的組合，所以可以為這四個(gè)組合分別分配一個(gè)頻率。這樣，每個(gè)頻率變化將傳送兩個(gè)比特位的數(shù)據(jù)；也就是說(shuō)，比特率將是波特率的兩倍。 一般而言，n個(gè)比特位可以有2n 個(gè)組合，每一個(gè)組合可以對(duì)應(yīng)2n個(gè)頻率中的一個(gè)。這樣的話，比特率就是波特率的n倍。,頻率調(diào)制,頻移鍵控(兩種頻率)，每波特一比特,2.1.3,相移鍵控（Phase Shift Keying, PSK），也叫相位調(diào)制（Phase Modulation, PM

11、），也是和前面類似的一種技術(shù)。信號(hào)的差異在于相移，而不是頻率或振幅。通常，一個(gè)信號(hào)的相移是相對(duì)于前一個(gè)信號(hào)而言的。因此，它也經(jīng)常被人們稱為差分相移鍵控（Differential Phase Shift Keying,DPSK）。如前所述，n個(gè)比特位的每一個(gè)組合可以對(duì)應(yīng)于2n個(gè)相移中的一個(gè)，從而使比特率n倍于波特率。,相位調(diào)制,為了說(shuō)明問(wèn)題，假設(shè)設(shè)定四個(gè)大小級(jí)別的相移： K1，K2，K3和K4。這些大小級(jí)別和兩個(gè)比特位的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表所示。,2.1.3 模擬傳輸和數(shù)字傳輸,3、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)傳輸 單極性編碼 雙極性編碼 曼徹斯特編碼 差分曼徹斯特編碼,2.1.3 模擬傳輸和數(shù)字傳輸,3、數(shù)字?jǐn)?shù)

12、據(jù)的數(shù)字信號(hào)傳輸 （1）、單極性編碼 0電平 = 0 高電平 = 1 a)單極性不歸零： b)單極性歸零：每一個(gè)1之后用零電平來(lái)分隔,2.1.3 模擬傳輸和數(shù)字傳輸,3、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)傳輸 （2）、雙極性編碼 負(fù)電平 = 1 高電平 = 0 a)雙極性不歸零：非負(fù)即正，不會(huì)出現(xiàn)0電平。 b)雙極性歸零：正電平和負(fù)電平之間用零電平來(lái)分隔。,2.1.3 模擬傳輸和數(shù)字傳輸,3、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)傳輸 （3）曼徹斯特編碼與差分曼徹斯特編碼,2.1.3,曼徹斯特編碼（Manchester Code）用信號(hào)的變化來(lái)保持發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間的同步。也有人稱之為自同步碼（Self-Synchroniz

13、ing Code）。它用電壓的變化來(lái)分辨0和1。它明確規(guī)定，從高電平到低電平的跳變代表0，而從低電平到高電平的跳變代表1。,曼徹斯特編碼,0 1 0 1 1 0 0 1,2.1.3,差分曼徹斯特編碼（Differential Manchester Encoding）。和曼徹斯特編碼一樣，在每個(gè)比特時(shí)間間隔的中間，信號(hào)都會(huì)發(fā)生跳變。區(qū)別在于每個(gè)時(shí)間間隔的開始處。,差分曼徹斯特編碼,1 0 1 0 0 1 1 0,傳輸開始時(shí)的電平信號(hào),T：1比特的持續(xù)時(shí)間,T：1比特的持續(xù)時(shí)間,高電平,低電平,時(shí)間,2.1.3 模擬傳輸和數(shù)字傳輸,4、模擬信號(hào)的數(shù)字信號(hào)傳輸 脈沖幅度調(diào)制: Pulse Ampli

14、tude Modulation, PAM 脈碼調(diào)制: Pulse Code Modulation, PCM,2.1.3,使脈沖真正數(shù)字化的一種方法是為采樣信號(hào)分配一個(gè)預(yù)先確定的振幅。這種處理方法稱為脈碼調(diào)制（Pulse Code Modulation, PCM）。舉例來(lái)說(shuō)，假設(shè)將整個(gè)振幅范圍劃分成2n個(gè)振幅，并讓每一個(gè)振幅對(duì)應(yīng)一個(gè)n比特的二進(jìn)制數(shù)。下圖給出了劃分成八個(gè)值時(shí)的結(jié)果（n= 3）,脈碼調(diào)制PCM,2.1.3,一項(xiàng)應(yīng)用是光盤（CD）技術(shù)。CD上的音樂(lè)是應(yīng)用PCM光學(xué)編碼成數(shù)字格式的。然而，為了保留高品質(zhì)的音響效果，PCM編碼必須采用較高的頻率，并為每個(gè)脈沖分配較多的比特位。實(shí)際的數(shù)值隨

15、具體的設(shè)備而定。比如，翻閱一臺(tái)CD播放器的用戶手冊(cè)，可以找到下面的技術(shù)參數(shù)： 采樣頻率：44.1kHz D-A轉(zhuǎn)換：16比特線性 正如你可能想到的一樣，所謂的D-A即數(shù)字到模擬。16個(gè)比特允許大約216=65536=64K個(gè)采樣振幅。每秒采樣44000次左右，是2Hz到22000Hz的頻率響應(yīng)范圍的兩倍多一點(diǎn)。術(shù)語(yǔ)線性指脈沖振幅是均勻分布的。 （某些情況下，振幅并不是均勻分布的。脈沖的振幅集中分布在取值出現(xiàn)的可能性較大的區(qū)域。這種稱為壓縮擴(kuò)展的不均勻分布能夠在不增加每個(gè)采樣的比特位的情況下提高語(yǔ)音質(zhì)量。）,脈碼調(diào)制PCM的應(yīng)用,2.1.4 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo),有效性：消息的傳輸速度； 可靠

16、性：消息的傳輸質(zhì)量； 適應(yīng)性：環(huán)境使用條件； 標(biāo)準(zhǔn)性：通信元件的標(biāo)準(zhǔn)互換性； 經(jīng)濟(jì)性：成本高低； 使用維修：是否方便。,2.1.4 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo),1、有效性指標(biāo) （1）碼元速率：每單位時(shí)間秒內(nèi)信號(hào)碼元變化的次數(shù)。 單位：波特率,2.1.4 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo),1、有效性指標(biāo) （2）信息速率：每單位時(shí)間秒內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)量。 單位：比特率（bit/s) 信息速率=碼元速率*log2N(bit/s) 其中：N為碼元個(gè)數(shù)。,2.1.4 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo),1、有效性指標(biāo) （3）功率利用率：在保證系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的條件下，系統(tǒng)所需要的最低歸一化信噪比定義為系統(tǒng)的功率利用率。,2.1.4

17、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo),2、可靠性指標(biāo) （1）誤碼率： Pe = lim ne/n n n :系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)目偟拇a元數(shù)； ne :在相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的差錯(cuò)碼元數(shù)。,2.1.4 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo),2、可靠性指標(biāo) （2）誤比特率： Pb = lim nb/n n n : 系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)目偟谋忍財(cái)?shù)； nb : 在相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的差錯(cuò)比特?cái)?shù)。,2.2 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),傳輸介質(zhì)與信道容量 數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸方式 數(shù)據(jù)信號(hào)的通信方式,2.2.1 傳輸介質(zhì)與信道容量,1、傳輸介質(zhì) 共有三種類型的傳輸媒體，每一種類型都有許多品種。 第一種媒體是銅、鐵等金屬導(dǎo)體。我們將介紹如何利用導(dǎo)線電流傳輸數(shù)據(jù)

18、。 第二種媒體是透明玻璃或塑膠繩，它們可以通過(guò)光波實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。 第三種類型的媒體根本不需要物理連接，而是依靠電磁波，正如無(wú)線電視和無(wú)線電廣播一樣。,2.2.1 傳輸介質(zhì)與信道容量,1、傳輸介質(zhì) （1）雙絞線: 按傳輸質(zhì)量分：1、2、3、4、5、6類 按對(duì)數(shù)：2對(duì)到 1800對(duì)之間； 傳送距離：語(yǔ)音：1.5公里 數(shù)字：100米 速度：日前在100M左右，超五類和六類雙絞線可達(dá)1000M,2.2.1 傳輸介質(zhì)與信道容量,雙絞線通常用于傳輸平衡信號(hào)。也就是說(shuō)，每條導(dǎo)線都帶有電流，但它們分別攜帶的信號(hào)的相位相差180度。,V,t,2.2.1 傳輸介質(zhì)與信道容量,1、傳輸介質(zhì) （2）同軸電纜: 按型號(hào)

19、分： RG-8或RG-11（50歐）- 粗纜 RG-58-59/U或C/U（ 50歐）- 細(xì)纜 RG-59（75歐）- CATV 電纜 RG-62 （93歐）- ARCnet與IBM3279系統(tǒng)使用 傳送距離：細(xì)纜：無(wú)中繼180m，有中繼925m 粗纜：無(wú)中繼承500m，有中繼2500m 速度：標(biāo)準(zhǔn)10M，理論上可達(dá)600M。,2.2.1 傳輸介質(zhì)與信道容量,1、傳輸介質(zhì) （3）光纖: 一、用光線來(lái)傳傳輸信號(hào) 二、光纖不受電子噪音的干擾，并具有巨大的信息傳輸容量。 三、光纖很細(xì)（0.85um,1.3um,1.55um),2.2.1 傳輸介質(zhì)與信道容量,1、傳輸介質(zhì) （3）光纖: （一）按照制造

20、光纖所用的材料分：石英系光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層石英芯光纖、全塑料光纖和氟化物光纖。（二）按光在光纖中的傳輸模式分：?jiǎn)文９饫w和多模光纖。 （三）按最佳傳輸頻率窗口分：常規(guī)型單模光纖和色散位移型單模光纖。,2.2.1 傳輸介質(zhì)與信道容量,1、傳輸介質(zhì) （3）光纖: （四）按折射率分布情況分：階躍型和漸變型光纖。 （五）按光纖的工作波長(zhǎng)分：短波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。 短波長(zhǎng)光纖是指0.80.9m的光纖；長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖是指1.01.7m的光纖；而超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖則是指2m以上的光纖。,2.2.1 傳輸介質(zhì)與信道容量,1、傳輸介質(zhì) （4）微波: 無(wú)線電波：頻率在1GHz 到20GHz之間 無(wú)

21、中繼傳輸距離：30KM到50KM之間 速度：標(biāo)準(zhǔn)10M，理論上可達(dá)600M。,2.2.1 傳輸介質(zhì)與信道容量,1、傳輸介質(zhì) （4）衛(wèi)星: 同步衛(wèi)星：赤道上空36000公里。 低軌道衛(wèi)星：地球上空400公里以上。 遠(yuǎn)距離傳輸較微波傳輸有優(yōu)勢(shì)。,2.2.1 傳輸介質(zhì)與信道容量,2、信道噪聲 （1）噪聲分類:（按來(lái)源分） 自然噪聲：雷電、宇宙中的星體幅射 人為噪聲：各鄰近的電氣設(shè)備的干擾 電路噪聲：半導(dǎo)體器件內(nèi)部的散彈噪聲和電阻內(nèi) 的熱噪聲等。,2.2.1 傳輸介質(zhì)與信道容量,2、信道噪聲 （1）噪聲分類:（按噪聲的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短分） 脈沖型噪聲：如雷電的瞬間干擾； 連續(xù)型噪聲：如電阻內(nèi)的熱噪聲。,2

22、.2.1 傳輸介質(zhì)與信道容量,2、信道噪聲 （1）噪聲分類:（按噪聲功率譜密度分） 白噪聲：功率譜密度在無(wú)窮的頻譜范圍內(nèi)為常數(shù) 有色噪聲：功率的譜密度不為常數(shù)。,2.2.1 傳輸介質(zhì)與信道容量,2、信道噪聲 （1）噪聲分類:（按噪聲對(duì)信號(hào)的作用方式分） 加性噪聲：噪聲效果 = S(t)+N(t) 乘性噪聲：噪聲效果 = S(t)*N(t),2.2.1 傳輸介質(zhì)與信道容量,2、信道噪聲 （1）噪聲分類:（按噪聲瞬時(shí)幅度值的概率分布分） 高斯噪聲：噪聲瞬時(shí)幅度值服從高斯概率分布； 瑞利噪聲：噪聲瞬時(shí)幅度值服從瑞利概率分布；,2.2.1 傳輸介質(zhì)與信道容量,2、信道噪聲 （2）起伏噪聲 起伏噪聲有散

23、彈噪聲、熱噪聲和宇宙噪聲。,2.2.1 傳輸介質(zhì)與信道容量,3、信道容量 信道容量是一個(gè)理想的極限值，它指對(duì)一個(gè)給定的信道，在傳輸差錯(cuò)率趨于零情況下，信道在單位時(shí)間內(nèi)可能傳輸?shù)淖畲笮畔⒘俊?2.2.1 傳輸介質(zhì)與信道容量,3、信道容量 （1）奈奎斯特定理,C=2W（波特率）=2Wlog2N(bit/s) W:信道帶寬； N:碼元個(gè)數(shù)。,2.2.1 傳輸介質(zhì)與信道容量,3、信道容量 （2）香農(nóng)公式,20世紀(jì)40年代，Claude Shannon超越了尼奎斯特的理論，對(duì)噪聲通道作了深入的研究。他把最大的數(shù)據(jù)速率和頻率，以及信噪比聯(lián)系在一起。他明確地指出: 比特率（理論上的最大數(shù)據(jù)傳送率）=帶寬lo

24、g2（1S/N）bps 這一公式表明帶寬和信噪比越大，比特率就越高。但如果噪聲的功率增大的話，允許的比特率將下降。這一關(guān)系式意味著如果信噪比太小的話，噪聲將導(dǎo)致兩個(gè)不同的信號(hào)無(wú)法被分辨出來(lái)。,2.2.1,信噪比,電子工程學(xué)用一個(gè)稱為信噪比（Signal-to-Noise Ratio）的參數(shù)來(lái)量化信號(hào)中存在的噪聲。我們把它定義為S/N，這里的S代表信號(hào)能量，而N則代表噪聲能量。信噪比大意味著信號(hào)清楚；而信噪比小則意味著畸變比較嚴(yán)重。在高保真設(shè)備中，高信噪比意味著音質(zhì)的提高。由于S通常要比N大得多，所以信噪比一般采用較大的單位，它表示為： B=log10 (S/N）貝爾 (這里，貝爾是量度單位。)

25、 因此，如果S為N的十倍（S=10N），則B=log10(10N/N)=1貝爾。 類似地，S=100N時(shí)為2貝爾，S=1000N時(shí)為3貝爾，依此類推。,2.2.1,香農(nóng)定理的應(yīng)用,再舉一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明在電話線上傳送數(shù)據(jù)的實(shí)際上限。電話系統(tǒng)的帶寬將近3000Hz，信噪比大約為35dB，即3.5貝爾。由此可得3.5=log10(S/N)，即S=103.5N3162N。將這些值代入香農(nóng)定理： 比特率=帶寬log2(1+S/N)=3000log2(1+3162)bps 300011.63bps34880bps 作為最后的注釋，必須強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：這并不是一個(gè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)用戶和消費(fèi)者意義不大的純理論的定理。特別是對(duì)于

26、使用調(diào)制解調(diào)器的用戶，它有著實(shí)際的意義。在上世紀(jì)80年代，2400bps和9600bps的調(diào)制解調(diào)器被廣泛地使用，更高速率的調(diào)制解調(diào)器不是沒(méi)有，但價(jià)格昂貴。到了上世紀(jì)90年代，調(diào)制解調(diào)器的速率達(dá)到了28.8 kbps和33.6kbps。但根據(jù)香農(nóng)定理，35000bps左右的比特率將是常規(guī)調(diào)制解調(diào)器的上限。,2.2.2 數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸方式,傳輸方式（Transmission Mode）定義了比特組合從一個(gè)設(shè)備傳到另一個(gè)設(shè)備的方式。 串行傳輸和并行傳輸 異步傳輸和同步傳輸 基帶傳輸和頻帶傳輸,2.2.2 數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸方式,1、串行傳輸和并行傳輸 (1):串行傳輸,設(shè) 備 1,設(shè) 備 2,0,0,

27、1,1,0,1,1,0,2.2.2 數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸方式,1、串行傳輸和并行傳輸 (2):并行傳輸 局限性 1：成本因素 2：工程因素 3：同步因素,設(shè)備1,設(shè)備2,2.2.2 數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸方式,2、異步傳輸和同步傳輸 有兩種提供串行通信的方法：異步傳輸和同步傳輸。,2.2.2 數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸方式,2、異步傳輸和同步傳輸 （1）異步傳輸（Asynchronous Transmission)： 指比特被劃分成小組獨(dú)立傳送。發(fā)送方可以在任何時(shí)刻發(fā)送這些比特組，而接收方從不知道它們會(huì)在什么時(shí)候到達(dá)。,2.2.2 數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸方式,2、異步傳輸和同步傳輸 （1）異步傳輸（Asynchronous T

28、ransmission)： 指比特被劃分成小組獨(dú)立傳送。發(fā)送方可以在任何時(shí)刻發(fā)送這些比特組，而接收方從不知道它們會(huì)在什么時(shí)候到達(dá)。,設(shè) 備 1,設(shè) 備 2,2.2.2,異步傳輸,1100011000,1010011000,1110011000,停止位,停止位,停止位,開始位,開始位,開始位,數(shù)字1,數(shù)字2,數(shù)字3,兩次傳輸?shù)臅r(shí)間間隔,00110001對(duì)應(yīng)數(shù)字1 00110010對(duì)應(yīng)數(shù)字2 00110011對(duì)應(yīng)數(shù)字3,2.2.2,異步傳輸被設(shè)計(jì)用于低速設(shè)備，比如鍵盤和某些打印機(jī)等。另外，它的開銷也比較多。在上面的例子中，每個(gè)比特就多傳送兩個(gè)比特。這樣，總的傳輸負(fù)載就增加25%。,異步傳輸,110

29、0011000,1010011000,1110011000,停止位,停止位,停止位,開始位,開始位,開始位,數(shù)字1,數(shù)字2,數(shù)字3,兩次傳輸?shù)臅r(shí)間間隔,2.2.2 數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸方式,2、異步傳輸和同步傳輸 （2）同步傳輸（Synchronous Transmission）的比特分組要大得多。它不是獨(dú)立地發(fā)送每個(gè)字符，而是把它們組合起來(lái)一起發(fā)送。我們稱這些組合為數(shù)據(jù)幀，或簡(jiǎn)稱為幀。 數(shù)據(jù)幀的具體組織形式隨協(xié)議而定，后面我們將進(jìn)一步介紹。數(shù)據(jù)幀有許多公共的特征。下圖顯示了一個(gè)數(shù)據(jù)幀的一般組織形式。方向是從右向左,同步傳輸,syn=同步位 control=控制位 data=數(shù)據(jù)位 error=錯(cuò)誤

30、檢測(cè)位 end=幀結(jié)束位,數(shù)據(jù)幀,2.2.2 數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸方式,2、異步傳輸和同步傳輸 （2）同步傳輸,同步字符（SYN Character）:它是一個(gè)獨(dú)特的比特組合，用于通知接收方一個(gè)幀已經(jīng)到達(dá)。 控制位，可能包含下列這些元素： 源地址，指出數(shù)據(jù)幀從哪里來(lái)。 目標(biāo)地址，指出數(shù)據(jù)幀到哪里去。 數(shù)據(jù)的實(shí)際字節(jié)數(shù)。 序列號(hào)。它用于有很多幀被傳送出去，但由于某種原因無(wú)法按順序到 達(dá)目的地的情況。接收方使用序列號(hào)對(duì)幀進(jìn)行重組。 幀類型，隨協(xié)議而定。后面將對(duì)某些幀類型作詳細(xì)的討論。 數(shù)據(jù)位:定義了要發(fā)送的信息。 錯(cuò)誤檢查位:被用來(lái)檢測(cè)或校正傳輸錯(cuò)誤。 幀結(jié)束標(biāo)記。和SYN字符一樣，它是一個(gè)獨(dú)特的比特串

31、，用于表示沒(méi)有別的即將到達(dá)的比特了（至少在下一幀開始之前）,syn=同步位 control=控制位 data=數(shù)據(jù)位 error=錯(cuò)誤檢測(cè)位 end=幀結(jié)束位,2.2.2 數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸方式,2、基帶傳輸和頻帶傳輸 （1）基帶傳輸 基帶傳輸是指在信道上直接傳輸基帶信號(hào)的方式。所謂基帶信號(hào)是指由數(shù)據(jù)或消息直接轉(zhuǎn)換成的原始電信號(hào)，基帶傳輸主要用于短距離或有線電系統(tǒng)中。,基帶信號(hào)輸入,信道信號(hào)形成器,濾波器,信道,抽樣判決器,噪聲源,基帶信號(hào)輸出,2.2.2 數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸方式,2、基帶傳輸和頻帶傳輸 （1）頻帶傳輸 頻帶傳輸是包括調(diào)制解調(diào)過(guò)程的傳輸系統(tǒng)。有時(shí)也把用模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的方法稱為頻帶

32、傳輸。它主要用于長(zhǎng)距離或無(wú)線電系統(tǒng)中。,基帶信號(hào)輸入,調(diào)制器,解調(diào)器,信道,噪聲源,基帶信號(hào)輸出,2.2.3 數(shù)據(jù)信號(hào)的通信方式,（1）單工通信 在單工方式中，通信是單向進(jìn)行的，就象是單行道。一條鏈路的兩個(gè)站點(diǎn)中只有一個(gè)可以進(jìn)行傳輸，另一個(gè)只能接收。,單工通信,設(shè)備1,設(shè)備2,通信只在一個(gè)方向上進(jìn)行,2.2.3 數(shù)據(jù)信號(hào)的通信方式,（2）半雙工通信在半雙工方式下，每個(gè)站點(diǎn)都可以發(fā)送和接收，但是不能同時(shí)發(fā)送和接收。當(dāng)其中一個(gè)設(shè)備在發(fā)送時(shí)，另一個(gè)只能接收，反之亦然。,設(shè)備1,設(shè)備2,這樣的設(shè)備可以發(fā)送和接收，但必須輪流進(jìn)行,2.2.3 數(shù)據(jù)信號(hào)的通信方式,（3）全雙工通信 在全雙工方式中(也叫雙工

33、方式)，兩個(gè)站點(diǎn)同時(shí)都可以進(jìn)行發(fā)送和接收。,全雙工通信,設(shè)備1,設(shè)備2,2.3 多路復(fù)用技術(shù),多路復(fù)用（MUX）這一術(shù)語(yǔ)來(lái)源于拉丁詞multi（許多）和plex（混合）。多路復(fù)用指的是復(fù)用信道，即是利用一個(gè)物理信道同時(shí)傳輸多個(gè)信號(hào)，以提高信道利用率，使得一條線路能同時(shí)由多個(gè)用戶使用而互不影響。多路復(fù)用器連接許多條低速線路，并將它們各自所需的傳輸容量組合在一起后，在一條速度較高的線路上傳輸。也即低速線路在其遠(yuǎn)端合并，僅由一條較高速度的線路傳輸所有信息，而不是在一個(gè)發(fā)送端和接收端之間連接著許多低速線路。,2.3.1 頻分復(fù)用技術(shù)(FDM),頻分復(fù)用的典型例子有許多，如無(wú)線電廣播、無(wú)線電視中將多個(gè)電

34、臺(tái)或電視臺(tái)的多組節(jié)目對(duì)應(yīng)的聲音、圖像信號(hào)分別載在不同頻率的無(wú)線電波上，同時(shí)在同一無(wú)線空間中傳播，接收者根據(jù)需要接收特定的某種頻率的信號(hào)收聽(tīng)或收看。,2.3.1 頻分復(fù)用技術(shù)(FDM),要實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用，必須先為每個(gè)信道定義一個(gè)載波信號(hào)（Carrier Signal）。與信道對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)使載波信號(hào)發(fā)生改變（調(diào)制），從而產(chǎn)生另一個(gè)信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）。有幾種實(shí)現(xiàn)的方法。下圖中顯示了其中的振幅調(diào)制技術(shù)。,載波信號(hào)有一個(gè)固定的頻率，通常是位于信道帶寬的中間。其振幅發(fā)生改變，在數(shù)值之間交替變換，具體取決于另一個(gè)信號(hào)的最大值和最小值。,調(diào)制器,被調(diào)制信號(hào),載波信號(hào),調(diào)制結(jié)果,2.3.1 頻分復(fù)用技術(shù)(FDM)

35、,在頻分多路復(fù)用的最后一步，所有輸入的調(diào)制信號(hào)被結(jié)合成一個(gè)更加復(fù)雜的單一模擬信號(hào)。它的頻率位于所有信道的范圍之內(nèi)。各信道本身被保護(hù)頻帶（Guard Band）（未使用的頻率范圍）隔離開來(lái)，以防止相鄰信道的相互干涉。這樣產(chǎn)生的信號(hào)被傳送出去，并由另一個(gè)多路復(fù)用器接收。它使用一個(gè)帶通濾波器把各個(gè)獨(dú)立的調(diào)制信號(hào)分離開來(lái)。最后，信號(hào)被解調(diào)，并恢復(fù)成原始信號(hào)。在電視和無(wú)線電廣播等應(yīng)用中，通過(guò)信道或頻率選擇器指定哪一個(gè)原始信號(hào)被轉(zhuǎn)換成聲音和圖像。,2.3.2 時(shí)分復(fù)用技術(shù)(TDM),時(shí)分多路復(fù)用是將傳輸信號(hào)的時(shí)間進(jìn)行分割，使不同的信號(hào)在不同時(shí)間內(nèi)傳送，即將整個(gè)傳輸時(shí)間分為許多時(shí)間間隔（稱為時(shí)隙、時(shí)間片等，

36、slot time）。 TDM分為: 同步時(shí)分復(fù)用（Synchronous Time Division Multiplexing STDM） 異步時(shí)分復(fù)用（ Aynchronous Time Division Multiplexing ATDM）,2.3.2 時(shí)分復(fù)用技術(shù)(TDM),同步時(shí)分復(fù)用（Synchronous Time Division Multiplexing STDM） 同步時(shí)分復(fù)用采用固定時(shí)間片分配方式，即將傳輸信號(hào)的時(shí)間按特定長(zhǎng)度連續(xù)地劃分成特定時(shí)間段，再將每一時(shí)間段劃分成等長(zhǎng)度的多個(gè)時(shí)隙（時(shí)間片），每個(gè)時(shí)隙以固定的方式分配給各路數(shù)字信號(hào)各路數(shù)字信號(hào)在每一時(shí)間段都順序分配到一

37、個(gè)時(shí)隙。,公共信道,第一路信號(hào),第二路信號(hào),第三路信號(hào),第四路信號(hào),M U X,M U X,A1 B1 C1 D1,A1 B1 C1 D1,A1 B1 C1 D1,A2 B2 C2 D2,A2 B2 C2 D2,A2 B2 C2 D2,A3 B3 C3 D3,A3 B3 C3 D3,A3 B3 C3 D3,A4 B4 C4 D4,A4 B4 C4 D4,A4 B4 C4 D4,2.3.2 時(shí)分復(fù)用技術(shù)(TDM),同步時(shí)分復(fù)用（Synchronous Time Division Multiplexing STDM） STDM有時(shí)會(huì)出現(xiàn)低效性，如下圖：,M U X,M U X,A3B3D3,A2B

38、2D2,A1B1D1,A4A3A2A1,B4B3B2B1,D4D3D2D1,A4A3A2A1,B4B3B2B1,D4D3D2D1,等長(zhǎng)幀,2.3.2 時(shí)分復(fù)用技術(shù)(TDM),異步時(shí)分復(fù)用（ Aynchronous Time Division Multiplexing ATDM） 異步時(shí)分復(fù)用技術(shù)又被稱為統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用（statistical time division multiplexing）或智能時(shí)分復(fù)用（ITDM），它能動(dòng)態(tài)地按需分配時(shí)隙，避免每個(gè)時(shí)間段中出現(xiàn)空閑時(shí)隙。,M U X,B3D2,A3B2D2,A1C1,A3A2A1,B4B3B2B1,C3C2C1,D3D2D1,變長(zhǎng)幀,A2B

39、1C2,B4C3D3,A3A2A1,B4B3B2B1,C3C2C1,D3D2D1,M U X,2.3.3 碼分復(fù)用技術(shù)(CDMA),碼分復(fù)用（CDMA） 碼分復(fù)用允許所有站點(diǎn)同時(shí)在整個(gè)頻段上進(jìn)行傳輸，多路的同時(shí)傳輸采用編碼原理加以區(qū)分。碼分復(fù)用假定多重信號(hào)是線性疊加的。 與前面介紹的信道分配方法完全不同。前面所介紹的方法中，有些是將信道分成頻率段，對(duì)它們進(jìn)行靜態(tài)分配（FDM），另外的方法則是根據(jù)幀來(lái)分配信道，將整個(gè)信道靜態(tài)地（具有固定時(shí)隙的TDM）。,2.3.3 碼分復(fù)用技術(shù)(CDMA),TDM FDM CDMA三種復(fù)用技術(shù)的類比：雞尾酒會(huì)原理,(輪流發(fā)言),F(分組發(fā)言),CA,2.3.3

40、碼分復(fù)用技術(shù)(CDMA),在CDMA中，每比特時(shí)間被分成m個(gè)短的時(shí)間段，稱為芯片（chip）。通常情況下，每比特有64個(gè)或128個(gè)芯片。但在下面的例子中，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，假定每比特有8個(gè)芯片。每個(gè)站點(diǎn)被指定一個(gè)唯一的m位的代碼或芯片序列（chip sequence）。當(dāng)發(fā)送比特1時(shí)，站點(diǎn)就發(fā)送其芯片序列，想發(fā)送比特0時(shí)，站點(diǎn)就發(fā)送其芯片序列的反碼。除此之外，沒(méi)有其他任何格式。因此，假如站點(diǎn)A的芯片序列被指定為00011011，發(fā)送00011011就表示發(fā)送比特1，發(fā)送11100100就表示發(fā)送比特0。,2.3.3 碼分復(fù)用技術(shù)(CDMA),2.3.3 碼分復(fù)用技術(shù)(CDMA),2.3.3 碼分復(fù)

41、用技術(shù)(CDMA),用EXCLE計(jì)算,2.3.4 波分復(fù)用技術(shù)(WDM),在光纖信道上使用的是頻分多路復(fù)用的一個(gè)變種，即波分多路復(fù)用WDM（wavelength division multiplexing）。,2.3.4 波分復(fù)用技術(shù)(WDM),這里沒(méi)有使用什么新的技術(shù)。由于每個(gè)信道有自己的頻率范圍，而且所有的范圍都是分隔的，所以它們可以被多路復(fù)用到長(zhǎng)距離的光纖上。與電子的FDM不同的唯一的區(qū)別是：光纖系統(tǒng)使用的衍射光柵是完全無(wú)源的，因此極其可靠。應(yīng)該注意到，WDM很流行的原因是一根光纖上的能量常常僅僅有幾GHz寬，因?yàn)楝F(xiàn)在不可能在光電介質(zhì)間作更快的轉(zhuǎn)換。而一根光纖的帶寬大約是25000GHz

42、，因此可以將很多信道復(fù)用到長(zhǎng)距離光纖上，當(dāng)然前提條件是所有的輸入信道都應(yīng)使用不同的頻率。,2.3.5 空分復(fù)用技術(shù)(SDM),空分復(fù)用(SDM，Space Division Multiplexing)即多對(duì)電線或光纖共用1條纜的復(fù)用方式。 比如5類線就是4對(duì)雙絞線共用1條纜，還有市話電纜(幾十對(duì))也是如此。能夠?qū)崿F(xiàn)空分復(fù)用的前提條件是光纖或電線的直徑很小，可以將多條光纖或多對(duì)電線做在一條纜內(nèi)，既節(jié)省外護(hù)套的材料又便于使用。 例如，在光纖通信中，空分復(fù)用包括兩個(gè)方面：一是光纖的復(fù)用，即將多根光纖組合成束；二是在一根光纖中的光“束”沿空間分割的一種多維通信方式?？梢砸攵嗑S相干度調(diào)制與解調(diào)的新概念

43、來(lái)實(shí)現(xiàn)多路空分復(fù)用通信。傳象束是一種特殊的空分復(fù)用方式。它是將圖像采用空分復(fù)用方式傳輸，使其傳輸速度成數(shù)量級(jí)地提高。幾十萬(wàn)個(gè)象素的多芯傳象光纖己相當(dāng)成熟。其色保持特性和透光性已相當(dāng)令人滿意，是空分復(fù)用的一個(gè)發(fā)展方向。,2.4 數(shù)據(jù)交換技術(shù),交換即轉(zhuǎn)接，是在交換通信網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸必不可少的技術(shù)。 常用的交換技術(shù)有三種： 電路交換（線路交換） 報(bào)文交換 分組交換（包交換）,2.4.1 電路交換技術(shù),電路交換是一種直接的交換方式，它為一對(duì)需要進(jìn)行通信的裝置（站）之間提供一條臨時(shí)的專用通道，即提供一條專用的傳輸通道，既可是物理通道又可是邏輯通道（使用時(shí)分或頻分復(fù)用技術(shù)）。這條通道是由節(jié)點(diǎn)內(nèi)部電路對(duì)節(jié)

44、點(diǎn)間傳輸路徑經(jīng)過(guò)適當(dāng)選擇、連接而完成的，由多個(gè)節(jié)點(diǎn)和多條節(jié)點(diǎn)間傳輸路徑組成的鏈路。,2.4.1 電路交換技術(shù),目前公用電話網(wǎng)廣泛使用的交換方式是電路交換，經(jīng)由電路交換的通信包括三個(gè)階段： (1) 電路建立 (2) 數(shù)據(jù)傳輸 (3) 電路拆除,F,D,B,A,E,C,G,1,4,2,7,5,6,3,2.4.1 電路交換技術(shù),電路交換具有下列特點(diǎn)：(1) 呼叫建立時(shí)間長(zhǎng)且存在呼損。在電路建立階段，在兩站間建立一條專用通路需要花費(fèi)一段時(shí)間，這段時(shí)間稱為呼叫建立時(shí)間。在電路建立過(guò)程中由于交換網(wǎng)繁忙等原因而使建立失敗，對(duì)于交換網(wǎng)則要拆除已建立的部分電路，用戶需要掛斷重?fù)?，這稱為呼損。(2) 電路連通后提

45、供給用戶的是透明通路，即交換網(wǎng)對(duì)用戶信息的編碼方法、信息格式以及傳輸控制程序等都不加以限制，但對(duì)通信雙方而言，必須做到雙方的收發(fā)速度、編碼方法、信息格式、傳輸控制等一致才能完成通信。(3) 一旦電路建立后，數(shù)據(jù)以固定的數(shù)據(jù)率傳輸，除通過(guò)傳輸鏈路的傳播延遲以外，沒(méi)有別的延遲，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的延遲是可以忽略的，適用于實(shí)時(shí)大批量連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。(4) 線路（信道）利用率低。電路建立，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，直至通信鏈路拆除為止，信道是專用的，再加上通信建立時(shí)問(wèn)、拆除時(shí)間和呼損，其利用率較低。,2.4.2 報(bào)文交換技術(shù),在數(shù)據(jù)交換是相對(duì)較為連續(xù)的數(shù)據(jù)流時(shí)（如話音），電路交換是一種適宜的、易于使用的技術(shù)。日前數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)

46、通信廣泛使用報(bào)文交換。在報(bào)文交換網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常為一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)，帶有足夠的外存，以便在報(bào)文進(jìn)入時(shí)，進(jìn)行緩沖存儲(chǔ)。節(jié)點(diǎn)接收一個(gè)報(bào)文之后，報(bào)文暫存放在節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)設(shè)備之中，等輸出線路空閑時(shí)，再根據(jù)報(bào)文中所附的目的地址轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)合適的節(jié)點(diǎn)，如此往復(fù)，直到報(bào)文到達(dá)目標(biāo)數(shù)據(jù)終端。所以報(bào)文交換也稱為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)（store and forward）。,2.4.2 報(bào)文交換技術(shù),F,D,B,A,E,C,G,1,4,2,7,5,6,3,A-F,2.4.2 報(bào)文交換技術(shù),報(bào)文交換具有下列特征：(1) 源站A和目標(biāo)站F在通信時(shí)不需要建立一條專用的通路，因此就不需要節(jié)點(diǎn)4、5、6或4、7、6同時(shí)空閑。(2) 與電路

47、交換相比，報(bào)文交換沒(méi)有建立線路和拆除線路所需的等待和時(shí)延。(3) 線路利用率高，節(jié)點(diǎn)間可根據(jù)線路情況選擇不同的速度傳輸，能高效地傳輸數(shù)據(jù)。(4) 要求節(jié)點(diǎn)具備足夠的報(bào)文數(shù)據(jù)存放能力，一般節(jié)點(diǎn)由微機(jī)或小型機(jī)擔(dān)當(dāng)。(5) 數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿?，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)中，都進(jìn)行差錯(cuò)控制，即檢錯(cuò)、糾錯(cuò)。(6) 缺點(diǎn)：由于采用了對(duì)完整報(bào)文的存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)延較大，不適用于交互式通信，如電話通信；由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要把報(bào)文完整地接收、存儲(chǔ)、檢錯(cuò)、糾錯(cuò)、轉(zhuǎn)發(fā)，產(chǎn)生了節(jié)點(diǎn)延遲，并且報(bào)文交換對(duì)報(bào)文長(zhǎng)度沒(méi)有限制，報(bào)文可以很長(zhǎng)，這樣就有可能使報(bào)文長(zhǎng)時(shí)間占用某兩節(jié)點(diǎn)之間的鏈路，不利于實(shí)時(shí)交互通信。分組交換即所謂的

48、包交換正是針對(duì)報(bào)文交換的缺點(diǎn)而提出的一種改進(jìn)方式。,2.4.3 分組交換技術(shù),分組交換屬于存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)交換方式，但它不像報(bào)文交換那樣以報(bào)文為單位進(jìn)行交換、傳輸，而是以更短的、標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文分組（packet）為單位進(jìn)行交換傳輸。分組是一組包含數(shù)據(jù)和呼叫控制信號(hào)的二進(jìn)制數(shù)，把它作為一個(gè)整體加以轉(zhuǎn)接，這些數(shù)據(jù)、呼叫控制信號(hào)以及可能附加的差錯(cuò)控制信息是按規(guī)定的格式排列的。,2.4.3 分組交換技術(shù),交換網(wǎng)可采用兩種方式：數(shù)據(jù)報(bào)傳輸分組交換或虛電路傳輸分組交換進(jìn)行交換。(1) 數(shù)據(jù)報(bào)傳輸分組交換(2) 虛電路傳輸分組交換,2.4.3 分組交換技術(shù),(1) 數(shù)據(jù)報(bào)傳輸分組交換交換網(wǎng)把進(jìn)網(wǎng)的任一個(gè)分組都當(dāng)作單獨(dú)

49、的“小報(bào)文”來(lái)處理，而不管它屬于哪個(gè)報(bào)文的分組，就像報(bào)文交換中把一份報(bào)文進(jìn)行單獨(dú)處理一樣,2.4.3 分組交換技術(shù),(1) 數(shù)據(jù)報(bào)傳輸分組交換,F,D,B,A,E,C,G,1,4,2,7,5,6,3,1,2,3,2.4.3 分組交換技術(shù),(1) 數(shù)據(jù)報(bào)傳輸分組交換,F,D,B,A,E,C,G,1,4,2,7,5,6,3,1,2,3,2.4.3 分組交換技術(shù),(2) 虛電路傳輸分組交換所謂虛電路就是兩個(gè)用戶的終端設(shè)備在開始互相發(fā)送和接收數(shù)據(jù)之前需要通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)建立邏輯上的連接，一旦這種連接建立，直至用戶不需要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)清除這種連接。其主要的特點(diǎn)是：所有分組都必須沿著事先建立的虛電路傳輸，存

50、在一個(gè)虛呼叫建立階段和拆除階段（清除階段）。與電路交換相比，并不意味著實(shí)體間存在象電路交換方式那樣的專用線路，而是選定了特定路徑進(jìn)行傳輸，分組所途經(jīng)的所有節(jié)點(diǎn)都對(duì)這些分組進(jìn)行存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)，這是與電路交換的實(shí)質(zhì)上的區(qū)別。,2.4.3 分組交換技術(shù),(2) 虛電路傳輸分組交換,F,D,B,A,E,C,G,1,4,2,7,5,6,3,1,2,3,2.4.3 分組交換技術(shù),總之，分組經(jīng)過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)到達(dá)終點(diǎn)有兩種方法： 虛電路（Virtual Circuit） 數(shù)據(jù)報(bào)（datagram）。,2.4.4高速交換技術(shù),傳統(tǒng)的交換技術(shù)不能滿足多媒體業(yè)務(wù)應(yīng)用，目前提高交換速度的方案有幀中繼和ATM等。 最有發(fā)展前途

51、的交換技術(shù)是ATM（異步傳輸模式），他是線路交換與分組交換技術(shù)的結(jié)合，能最大限度地發(fā)揮線路交換與分組交換技術(shù)的 優(yōu)點(diǎn)，具有從實(shí)時(shí)的話音信號(hào)到高清晰度電視圖像等各種高速綜合業(yè)務(wù)傳輸能力。,2.5 差錯(cuò)控制技術(shù),按照差錯(cuò)控制編碼的不同功能，可以將其分為檢錯(cuò)碼、糾錯(cuò)碼和糾刪碼。檢錯(cuò)碼僅能檢測(cè)誤碼；糾錯(cuò)碼則兼有糾錯(cuò)和檢錯(cuò)能力，當(dāng)發(fā)現(xiàn)不可糾正的錯(cuò)誤時(shí)可以發(fā)出錯(cuò)誤指示。按照信息碼元和附加的監(jiān)督碼元之間的檢驗(yàn)關(guān)系，又可分為線性碼和非線性碼。若信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關(guān)系為線性關(guān)系，即滿足一組線性方程式，則稱為線性碼。反之，則稱為非線性碼。常用的差錯(cuò)控制編碼一般均為線性碼，其中包含分組碼和卷積碼。,2.5.1

52、 差錯(cuò)產(chǎn)生的原因及其控制,原因:電氣噪聲、靜電干擾、電氣信號(hào)反射等。,基帶信號(hào)輸入,調(diào)制器,解調(diào)器,信道,噪聲源,基帶信號(hào)輸出,信息源和輸入轉(zhuǎn)換器,發(fā)送設(shè)備,接收設(shè)備,信道,輸出轉(zhuǎn)換器和受信者,噪聲,2.5.1 差錯(cuò)產(chǎn)生的原因及其控制,差錯(cuò)控制的基本方法: 1、自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)(要求雙向信道) （Automatic Repeat reQuest,ARQ) 2、前向糾錯(cuò)(需要糾錯(cuò)碼） (Forward Error Correction, FEC) 兩種方法也可混合使用。 編碼效率指標(biāo)：R=k/n=k/(k+r) 我們的課程同學(xué)們介紹：奇偶校驗(yàn)碼、CRC、漢明碼等常用方法。,2.5.2 奇偶校驗(yàn)碼,奇

53、偶校驗(yàn)碼是最簡(jiǎn)單的檢錯(cuò)碼，由于實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易而被廣泛采用。 這種碼的校驗(yàn)關(guān)系可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的方程來(lái)表示:設(shè)要傳送五比特信息為C1 C2 C3 C4 C5，其中Ci取值0或1。經(jīng)過(guò)編碼以后變成六比特編碼碼字，其中校驗(yàn)位C6應(yīng)滿足下列關(guān)系：C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 0(或1) 式中的加法是模2加。上式的右邊等于零稱為偶校驗(yàn)，此時(shí)等式的右邊含偶數(shù)個(gè)1；等于1就是奇校驗(yàn)，則含奇數(shù)個(gè)1。,2.5.2 奇偶校驗(yàn)碼,1、垂直奇偶校驗(yàn)碼:信息塊長(zhǎng)度=pq,每p位構(gòu)成一組，對(duì)應(yīng)的有一位奇偶檢驗(yàn)位rj。編碼效率R=p/(p+1)。,數(shù)據(jù)發(fā)送順序,2.5.2 奇偶校驗(yàn)碼,2、水平奇偶

54、校驗(yàn)碼:信息塊長(zhǎng)度=pq,每q位構(gòu)成一組，對(duì)應(yīng)的有一位奇偶檢驗(yàn)位rj。編碼效率R=q/(q+1)。,數(shù)據(jù)發(fā)送順序,2.5.2 奇偶校驗(yàn)碼,3、水平垂直奇偶校驗(yàn)碼:信息塊長(zhǎng)度=pq,在水平和垂直兩個(gè)方向上進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。編碼效率:R=pq/(p+1)(q+1)。,2.5.3 循環(huán)冗余碼,在上節(jié)中看到，單純的奇偶校驗(yàn)本身是不很可靠的。然而，如果采用水平垂直奇偶校驗(yàn)就比較可靠了。 但該方法的一個(gè)問(wèn)題是，只有在所有行列都發(fā)送完畢后，錯(cuò)誤才能檢測(cè)出來(lái)。如果接收方不知道那個(gè)數(shù)據(jù)是不正確的。這樣就無(wú)從選擇，只有重發(fā)所有列對(duì)于單個(gè)錯(cuò)誤，這是個(gè)很大的額外工作。若列重發(fā)時(shí)又發(fā)生了錯(cuò)誤，問(wèn)題就復(fù)雜了。 有沒(méi)有一種方法

55、，在幀發(fā)送后立即知道是否發(fā)生了錯(cuò)誤？現(xiàn)在討論一種叫做循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC, Cyclic Redundancy Check）的方法，該方法正好處理這個(gè)問(wèn)題。我們也將說(shuō)明這是一種高效又可靠的方法。,2.5.3 循環(huán)冗余碼,bn-1bn-2bn-3.b2b1b0,bn-1xn-1+bn-2xn-2+bn-3xn-3+b2x2+b1x1+b0,x10+x7+x5+x3+x2+x1,比特串,多項(xiàng)式,10010101110,2.5.3 循環(huán)冗余碼,下面，我們給出CRC的概況。同時(shí)也假設(shè)所有的運(yùn)算都是模2。 1）給定一個(gè)比特串，在其尾部追加幾個(gè)0（后面我們會(huì)確定是幾個(gè)和為什么）并把它叫做B。讓B(x)對(duì)應(yīng)

56、于B。 2）將B(x）除以一事先約定的生成多項(xiàng)式G(x)(Generator Polynomial)，求出余式R(x)。 3）定義T(x)=B(x)-R(x)。后面我們會(huì)說(shuō)明T(x)/G(x)的余數(shù)為0，并且減法運(yùn)算可以通過(guò)用與R(x)對(duì)應(yīng)的比特串替換成以前追加0的串而完成。 4）傳輸與T(x)對(duì)應(yīng)的比特串T。 5）讓T代表接收方收到的比特流，T(x)為相應(yīng)的多項(xiàng)式。接收方將T(x)除以G(x)。若余數(shù)為0，則接收方認(rèn)為TT，(傳輸)未發(fā)生錯(cuò)誤。否則，接收方認(rèn)為(傳輸)發(fā)生了錯(cuò)誤并要求重傳。,2.5.3 循環(huán)冗余碼,先用一個(gè)正常的整數(shù)運(yùn)算來(lái)說(shuō)明這個(gè)思想： 若：原數(shù)據(jù)信息=137 B=137x1

57、0000=1370000 G=1031 B/G=1370000/1031 余R= 832 T=B-R = 1370000 832 = 1369168 T/G=1328 余數(shù)為 0 認(rèn)為 T = T 如果T / G=0 則認(rèn)為T傳輸無(wú)誤。 問(wèn)題：如何由1369168求出原來(lái)的137 ?,2.5.3 循環(huán)冗余碼,先介紹一下模2運(yùn)算。 模2的加和減定義如下：,加法定義： 000 101 011 110,減法定義： 000 101 011 110,實(shí)際上，模2的加和減與異或運(yùn)算一樣。這是一個(gè)我們后面討論CRC的實(shí)現(xiàn)時(shí)要用到的重要事實(shí)。,2.5.3 循環(huán)冗余碼,下圖動(dòng)畫給出了一個(gè)T(x)/G(x)的多項(xiàng)

58、式除法的例子， 這里: T(x) =x10+x9+x7+x5+x4 而: G(x) =x4+x3+1,x6 x4+x3+0+0+1 x10+x9+0+x7+0+x5+x4+0+0+0+0 x10+x9+ 0+0+x6 x7+x6+x5+x4+ 0 x7+x6+ 0 + 0 +x3 x5+x4+x3+0+0 x5+x4+0 +0+x x3+0+x (余數(shù)) 即R(x)= x3+x,+x3,+x,2.5.3 循環(huán)冗余碼,右圖說(shuō)明了使用模2除法的相同除法。記住在無(wú)多項(xiàng)式項(xiàng)時(shí)使用0, x10+x9+x7+x5+x4 的系數(shù)序列是11010110000，x4+x3+1的系數(shù)序列為11001。,(x10+x9+x7+x5+x4)/(x4+x3+1)的模2除法,2.5.3 循環(huán)冗余碼,現(xiàn)在討論CRC是如何工作的。假設(shè)要發(fā)送比